基于單片機的溫濕度檢測裝置的設計與實現

葉 檸，孫宇舸，張 寧

（東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819）

為了保障人們的日常健康生活，提高生活質量，以及滿足生產生活的需求，常常需要對人們所生活或工作的環境展開監督。但是人類自身對外界環境的感知是感性的，也是模糊的，無法單純通過人類自身的感知能力而量化出實際的環境參數，而且人們所感受到的環境狀況是結合了多個變量參數與自身身體情況交織而成的復雜狀態。因此，單憑人類自身的感知能力，在很多情況下是不足以滿足需求的，依靠人類自身的感知能力感受環境，在很多情況下不足以克服生產生活中的很多難題。即便在依靠人類感知能力足以應對困難的環境中，也會消耗大量精力去感知和解決問題。為了解決這些難題，需要準備應對各個特殊環境的傳感設備，以供在需要的情況下進行應用。

溫度與濕度是環境參數的重要部分，針對溫濕度的檢測是判斷環境是否滿足生活需求的重要組成部分。文章設計了一種檢測當地環境溫濕度參數的系統，使用Keil 開發環境，以dht11 溫濕度傳感器為傳感器件，以STC89C52 為核心的HC6800-MS 開發板作為數據采集與處理裝置，并使用LCD1602 將測量的數據以直觀的方式展現出來，以方便于使用者進行觀察。

1 系統構成

本設計的主要目的是通過使用電子系統來代替人體完成外界溫度濕度狀態的感知任務。因此，需要有相應的溫濕度傳感器進行測量。因為溫濕度傳感器的傳輸數據和傳輸方式缺少顯示部分，人類很難進行直觀的檢測，本設計還需要完成一個顯示部分，將表示溫濕度傳感器的電信號轉化為人類易于觀察的形式，系統整體設計方案如圖1 所示。

圖1 整體設計方案

1.1 傳感器部分

由于生產生活中的廣泛需求，如今溫度測量已經具備眾多較為成熟的方法。主要有熱敏電阻測溫、熱電偶測溫膨脹測溫、定壓氣體溫度計、定容氣體溫度計、壓力測溫法、磁學測溫法、聲學測溫法、頻率測溫法實現溫度的測量[1]。在濕度測量方面，目前成熟應用的測量元件包含電子濕度傳感器、聲濕傳感器、光濕傳感器，其中電子濕度傳感器以電阻式濕度傳感器與電容式濕度傳感器為主[2]。

dht11 溫濕度傳感器是一種響應較快，穩定性強，精確度較高且價格低廉的傳感器[3]。內部包含一個電阻式感濕元件，以及一個NTC 測溫元件，其工作電壓為3-5.5V，配有4 個引腳，引腳Vdd 接電源電壓，引腳Gnd 接地，引腳NC 懸空，引腳Data 用于傳輸數據[4]。dht11 采用單總線數據格式，在實際應用時，首先由對方發送信號開啟數據傳輸，隨后dht11 接收到信號后回發一個標志信號，標志信號結束后，dht11 回發4 組8 位信號，分別表示溫濕度的整數部分與小數部分，最后發送一組檢驗標志位，當檢驗信號與溫濕度的末尾信號之和相等時，證明信號無誤。

dht11 的工作過程中，需要一個穩定的供電器件，并需要一個端口用于和Data 端間的連接。dht11 的工作范圍為20%-90%的濕度與0-50℃的溫度?？梢杂糜谌粘Ｉ钪械臏貪穸葴y量。同時，它的體積較小，利于攜帶與安裝，在實際連接時難度較小。

本系統選擇溫濕度傳感器dht11 作為環境檢測裝置。dht11 具備體積小，價格低廉的優勢，并且它可以同時檢測溫度濕度兩種參數，非常適合大規模使用。同時，由于它體積小，輕便可攜帶的特點，可以用于各種非極端環境下的環境參數檢測之中。

1.2 處理器部分

單片機作為單片微型計算機SCMC，其芯片內部集成了包括CPU、ROM、RAM、中斷、定時器、計數器等多個應用模塊，具備體積小、功耗小、可靠性高等多個特點。

STC85C51RC/RD+系列單片機是由STC 公司生產的增強型8051 單片機，其性能穩定，應用廣泛，具備低功耗、高速、抗干擾等多項優點[5]，其中5V 單片機可以在3.4-5.5V 的電壓下正常工作。STC89C52 可以通過Keil 軟件進行編譯。

HC6800-MS 是以STC89C52 單片機為核心的開發板，在HC6800-MS 中，以STC89C52 為核心配備了多種外設及接口，包括數碼管、3.3V 電源接口、流水燈，以及獨立按鍵等。其中包含LCD1602 的預留插口，增強了HC6800-MS 與LCD1602 連接的安全性與穩定性。HC6800-MS 可以通過普中科技專用的PZ-ISP 程序燒錄軟件完成Keil 程序的錄入與運行，簡化了實物操作。

本系統選擇以STC89C52 為核心的HC6800-MS為開發板。STC89C52 作為一種穩定的單片機種類，在成本低廉的同時，足以應對一般條件下的數據處理問題，能夠應對在本次實驗中所需的信號接收與處理問題。HC6800-MS 有面對LCD1602 的預設插口，在減輕了LCD1602 連線問題壓力的同時提高了連接的穩定性，可以為實驗起到輔助作用。

1.3 顯示部分

顯示技術作為信息化有關產業的組成部分之一，在如今各行各業的生產活動與居家生活之中扮演了重要角色。

LCD1602 液晶顯示器作為一種穩定的顯示裝置活躍在生產生活中。它具有16*2 個字符的顯示容量[6]，4.5-5.5V 的工作電壓，2.0mA 的工作電流。其共有16個引腳，分別為2 個電源端，1 個偏壓信號端，1 個使能端，2 個讀寫端，2 個背光源端口以及8 個數據端。通過控制讀寫端與使能端的輸入，能夠調整LCD 的輸入狀態，完成地址到字符的切換。通過控制數據端的輸入，能夠調整具體的輸入數據，選中所需的地址或控制當前地址下的字符輸出。

LCD1602 的運行需要外接16 個端口，并需要對其中的控制端（2），使能端（1），數據端（8）進行實時變換，可以與單片機進行連接并進行數據傳輸，完成數據接收的任務。LCD1602 適用于表達數據較少的場合，在本設計中涉及到的需要顯示的數據分別是溫度與濕度的代指字符與溫度濕度的數值兩部分，其中用RH 代指濕度（兩個字符），TEMP 代指溫度（四個字符），%為濕度單位（一個字符），C 為溫度單位（一個字符），兩組數據（每組兩個字符表示數據整數，共四個字符）。共計占用14 個字符，而LCD 總共能夠同時顯示32 個字符的數據。因此LCD 的功能足以支撐此設計中的數據顯示任務。

在HC6800-MS 開發板中，存在單片機與LCD1602 間的預留接口，使開發板到LCD1602 的應用更為便捷，也增強了連線的安全性與穩定性，令LCD1602 在本次設計在實際應用時更為便攜可靠。

綜上所述，本系統選擇LCD1602 液晶顯示屏作為顯示器完成數據表達任務。LCD 的成本低廉，其功能足以完成環境參數表達任務。并且由于LCD1602 和HC6800-MS 間的適配特點，使用LCD1602 可以減輕連線方面的壓力，增加硬件連接的穩定性。

2 系統設計與實現

本系統以單片機STC89C52 為核心，并采用了普中科技的開發板HC6800-MS，為了便于程序的編譯與燒錄，此次選擇了在Keil 上進行單片機程序的編寫，并通過普中科技特有的燒寫程序PZ-ISP 將預定程序燒錄到單片機中。

本設計的目標是設計一個能夠使傳感器正常工作并轉移數據到顯示器件的系統。由于傳感器自身的信號在未經加工的條件下不能被顯示器件識別，因此本設計中需要應用單片機，通過合適的編程方式使傳感器測量的信號轉變成能夠被顯示器件應用的信號。

本次設計以日常生活中的溫濕度檢測任務為目標，因此選擇的器件應該滿足系統穩定、器件大小適中、低耗能、價格低廉等要求。

最終，本系統選擇以dht11 溫濕度傳感器作為環境參數檢測裝置，以HC6800-MS 開發板為核心進行數據的處理、傳輸部分，通過LCD1602 液晶顯示屏來展示獲得的數據。本系統的主要工作有硬件選用與連接，軟件編譯兩部分。

2.1 硬件部分

硬件連接需要兼顧軟件編寫方面的問題。由于LCD1602 與HC6800 間存在預設的接口，因此，在采用LCD 與開發板間的備用接口的情況下，dht11 和HC6800-MS 間的連接會受到限制，即部分引腳包括P0，P2^5，P2^6，P2^7 等，均被LCD1602 占用。因此，本系統最終采用LCD 預設接口，dht11 數據傳導接口與P2^4 相連的硬件連接方式，其原理圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件原理圖

2.2 軟件部分

本系統主要針對單片機STC89C52 進行編譯，使用Keil 軟件編寫程序。綜合設計程序主要分為兩部分，分別是單片機針對dht11 的信號接收程序與單片機針對LCD1602 的信號發送程序。

2.2.1 單片機針對dht11 的信號接收程序

首先，按照dht11 的初始化程序，由單片機向dht11 發送信號使dht11 進入工作狀態，待dht11 進入工作狀態后，根據實驗所需的測量頻率運行dht11 的工作程序，收集五組8bits 反饋數據，按照順序分別為溫度整數，溫度小數，濕度整數，濕度小數，校驗位數據。單片機將這幾位數據存儲下來，準備下一階段的使用。若在初始化過程中，未獲得dht11 的反饋數據，則準備將default 字符導入LCD 中。

2.2.2 單片機對溫濕度數據的檢驗程序

在數據接收完成后，單片機需要通過校驗位檢測數據的正確性。若四組數據之和與校驗位相同，則證明數據正確，將數據存入，以備后續。若四組數據之和與校驗位不等，則數據有誤，不予留存，等待新的數據接收流程。

2.2.3 單片機對溫濕度數據的處理程序

LCD1602 可以通過識別輸入字符，在預定地址顯示常用字符，因此，本設計需要對溫濕度數據進行處理，將其轉化為易于理解的十進制字符顯示。由于本設計中溫濕度測量范圍均大于0 小于100，且只顯示整數部分，因此只需將兩組整數數據進行處理后保存即可。

具體方法為取測量數據/10 為十位，測量數據%10為個位。

2.2.4 單片機針對LCD1602 的信號發送程序

在LCD1602 中，存有常用的字符顯示，本次實驗無需通過特定方式編輯顯示符號。而LCD 展示的數據，本設計采用“固定字符+可變字符”的顯示方式，固定字符表示數值種類，可變字符表示數值大小。本系統用“RH”代指濕度，“TEMP”代指溫度，“%”和“C”均為單位。

本實驗取溫度與濕度整數部分進行顯示，即取溫度高八位與濕度高八位，在經過單片機處理后導入可變字符中，在LCD 上觀察到溫度和濕度為整數的檢測數據，由于單片機和dht11 交互數據的過程持續進行，因此檢測到的溫度和濕度數據會隨時間不斷變化，如圖3 所示。

圖3 可變字符展示

綜上所述，本系統完成了一個從環境參數采集到LCD 屏幕顯示的過程，可以實時觀察到當前環境下的溫濕度參數，如圖4 所示。

圖4 系統實物圖

3 結束語

文章通過單片機、傳感器與顯示設備的結合運用，從實際應用的角度出發，完成了一種價格低廉，設備輕巧的環境檢測裝置，具備一定的實用價值。